TCC Gaseificação de Biomassa

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON 
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA
Dimensionamento de Um Gaseificador Concorrente 
Belo Horizonte
2013.2
GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA
Dimensionamento de Um Gaseificador Concorrente 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro Universitário Newton Paiva, 9º período, como requisito parcial para a obtenção do grau em Engenharia Mecânica.
Orientador:
Belo Horizonte
2013.2
GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA
Dimensionamento de Um Gaseificador Concorrente 
Aprovada em _____/______/2013.
BANCA EXAMINADORA
______________________________________
Presidente
_______________________________________
1º Examinador.
_____________________________________
2º Examinador.
_____________________________________
3º Examinador.
AGRADECIMENTOS
EPÍGRAFE
RESUMO
O principal objetivo deste estudo foi o dimensionamento e construção de um gaseificador de fluxo concorrente capaz de gaseificar até 60kg de biomassa por hora. Para isto, utilizou-se de ferramentas da mecânica para os cálculos da espessura do vaso de pressão e da solda. O estudo também se preocupou com o poder calorífico e com a detecção da composição química dos gases gerados pelo gaseificador. Utilizou-se para coleta de dados da composição química dos gases um medidor para avaliação do percentual volumétrica dos produtos da gaseificação, além do poder calorífico inferior dos gases em kcal/Nm³. Para melhor entendimento da estrutura química dos gases, utilizou-se o balaço de massa para calcular as concentrações de cada elemento químico. O uso de energias renováveis vem se destacando após o levantamento da hipótese de escassez dos combustíveis fósseis e, neste ramo, tem-se a biomassa como umas das mais importantes fontes renováveis. No processo de gaseificação da biomassa, o principal objetivo é sua conversão em combustível e em outros produtos químicos variados através de sua oxidação parcial à elevadas temperaturas, resultando misturas gasosas ricas em CO, H2 e CH4. Observou-se que ....., concluiu-se......
Palavras-chave: Gaseificador de fluxo concorrente, biomassa, balanço de massa, combustível.
ABSTRACT
Keywords: 
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Processos de conversão energética da biomassa PÁGINA
Figura 2: Tipos de gaseficadores para biomassa PÁGINA
Figura 3: Fluxo de massa e energia em um gaseificador concorrente PÁGINA
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dependência entre o tipo de agente de gaseificação utilizado, pressão do gaseificador, poder calorífico e sua possível aplicação PÁGINA
Tabela 2: Composição média e poder calorífico do gás pobre de madeira obtido em diferentes tipos de gaseificadores e com agentes de gaseificação PÁGINA
Tabela 3: relação ar/combustível para alguns elementos encontrados nos principais combustíveis PÁGINA
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASTM - American Society for Testing and Materials
CO - monóxido de carbono
H2 - Hidrogenio
CH4 - Metano
CO2 - Dióxido De Carbono
H2O - Água
C - Carbono
Pu - Quantidade de massa de uma amostra de combustível na base úmida
Ps - Quantidade de massa de uma amostra de combustível na base seca
Hs - Umidade base seca
Hu - Umidade base úmida
PCI - Poder calorífico inferior
PCS - Poder calorífico superior
mb - Fluxo de biomassa que entra no gaseificador, kg/s;
PCIb - Poder calorífico da biomassa, kJ/kg;
mg - Fluxo de gás produzido na gaseificação, kg/s;
PCIg - Poder calorífico do gás, MJ/Nm³;
PCIgi - Poder calorífico do gás i, MJ/Nm³;
tg - Temperatura do gás, ºC;
ma - Fluxo de ar introduzido no gaseificador, kg/s;
mcen - Fluxo de cinzas, kg/s;
Qma - Calor perdido no meio ambiente, kW;
Ci - Concentração volumétrica ou molar do gás i;
 
 
 
t - Espessura da parede
COLOCAR UMA CÓPIA DAS ABREVIAÇÕES NOS LUGARES DE ORIGEM
Sumário
INTRODUÇÃO
Durante anos, nossos antepassados mostraram claramente como foram habilidosos em fazer e usar o fogo utilizando a biomassa. A evolução dos tempos, conduziu estes indivíduos a usar tal elemento em outras atividades como, por exemplo, cerâmica e metalúrgica. Gradativamente, as técnicas para a conversão de biomassa em biocombustível ou, diretamente em energia por meio da combustão direta, foram sendo desenvolvidas e modernizadas em processos que hoje são úteis e eficientes. Desde a revolução industrial, houve um crescimento acelerado da necessidade de energias térmicas que abastecem as indústrias. No mesmo ritmo, começou a exploração dos recursos fósseis e o desmatamento de matas nativas. Durante as duas grandes guerras mundiais, os trabalhos e pesquisas relacionados à conversão térmica utilizando a biomassa foram muito estimulados devido à escassez do petróleo. Porém, até o início dos anos noventa, ainda se falava pouco sobre escassez dos combustíveis e da preocupação com o meio ambiente e, a partir desse momento, a sociedade econômica passou a se preocupar com a questão da preservação do meio ambiente e com soluções que diminuíssem o consumo de combustíveis fósseis não renováveis. 
Uma solução encontrada foi justamente o uso dos recursos dendroenergéticos. Dendroenergia é a energia gerada a partir da madeira; que é a biomassa mais utilizada como combustível. Uma das possibilidades de utilização da biomassa é através da sua transformação da estrutura sólida em gás combustível. Os processos de gaseificação da biomassa são originados em decorrência das transformações de suas propriedades químicas e físicas a que são submetidos. As reações químicas que ocorrem durante a gaseificação, são reações de oxidação envolvendo fases sólidas, líquidas e gasosas. As reações físicas estão relacionadas aos processos de transferência de calor e de massa. Os gases gerados podem substituir combustíveis derivados do petróleo em veículos utilitários, motobombas para irrigação agrícola, máquinas agrícolas, barcos para transporte fluvial, geradores de energia elétrica em zonas rurais, fogões residenciais, etc. Esta elevada importância da energia proveniente da biomassa, em especial os gases combustíveis, é consequência da principal vantagem que esse tipo de combustível apresenta, ou seja, ser fonte renovável de energia. 
TEMA
Dimensionamento de um Gaseificador de Biomassa concorrente.
PROBLEMATIZAÇÃO
Como o dimensionamento de um gaseificador concorrente pode ser realizado de acordo com os pressupostos teóricos da Termodinâmica e da Mecânica dos fluidos? 
Que elementos químicos estão presentes no gás de biomassa produzido e em que níveis percentuais?
OBJETIVOS
Objetivo Geral
Dimensionar e construir um Gaseificador modelo Concorrente com capacidade de gaseificar 60 kg de biomassa por hora.
Objetivos Específicos
Gerar o balanço de massa e energia do sistema de gaseificação concorrente;
Demonstrar memória de cálculo do vaso de pressão;
Determinar quantitativamente os elementos químicos combustíveis formados no processo através de medições dos gases;
Mensurar o poder calorífico dos gases da biomassa utilizada na unidade energia em kcal/Nm³ de gás gerado.
ANÁLISE DA SITUAÇÃO
Atualmente o Brasil reúne condições técnicas e econômicas ideais para desenvolver e aproveitar as tecnologias de utilização de biomassas para fins energéticos. O território nacional possui privilégios em termos de extensão e por reunir condições favoráveis de insolação e água, fatores essenciaispara a produção de biomassa em grande escala. A biomassa é, sem dúvida, importante fonte de energia para o Brasil, constituindo alternativa inteligente ao petróleo, que é caro e deve ser utilizado para fabricação de produtos químicos nobres, nunca para produção de calor.
JUSTIFICATIVA
O uso de novas fontes de energia, é uma solução para se diminuir a dependência dos combustíveis fósseis, cujas reservas são finitas e tendem a ficar cada vez mais escassas nas próximas décadas. Várias formas de energias alternativas estão sendo desenvolvidas com a finalidade de sanar esse futuro problema.
 
A biomassa vem se tornando uma das mais importantes fontes de energia devido ao seu potencial energético, baixo custo, além de ser renovável. Os profissionais que atuam na área de pesquisa, comercialização e serviços referentes à biomassa, são cada vez mais valorizados. Estes, geram redução de custos as empresa e consequentemente maiores ganhos financeiros. 
A definição de biomassa tem um sentido amplo englobando todos os tipos vegetais e seres orgânicos encontrados na natureza.
O termo biomassa engloba a matéria vegetal gerada através da fotossíntese e os seus derivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos e municipais etc. Estes materiais contêm energia química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa energia química pode ser liberada diretamente por combustão, ou covertida através de algum processo em outras fontes energéticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal como o álcool e o carvão. (NOGUEIRA, LORA, 2003, p.1) 
Para este trabalho, o termo biomassa será usado como referência aos biocombustíveis. Esses são, geralmente, resíduos de biomassa utilizados em processos industriais. A utilização destes resíduos para geração de energia térmica, se justifica por terem baixo custo financeiro, serem menos poluentes que os combustíveis fósseis e pela eventual redução das áreas de acúmulo de resíduos. Tudo isso justifica a relevância socioambiental deste estudo.
O estudo se propõe a compreender as variáveis predominantes no processo de gaseificação da biomassa como as reações químicas, características do fluido e dimensionamento do vaso de pressão. A compreensão de todo o processo, é importante para a definição do melhor dimensionamento do equipamento, sua estrutura e produção dos gases combustíveis. Assim, academicamente este estudo se torna relevante pois, no meio acadêmico, se encontra poucos dados sobre dimensionamento estrutural, especificamente em gaseificadores concorrentes.
Este estudo se limita apenas ao dimensionamento e construção de um gaseificador concorrente, com capacidade de 60 kg de biomassa por hora e na detecção da composição e características químicas dos gases. 
REFERENCIAL TEÓRICO
	
Biomassa
A biomassa em geral pode ser utilizada para vários fins como, adubos orgânicos, alimentação para seres vivos, fabricação de estruturas de madeira além de outras aplicações. Além disso, a biomassa possui características químicas importantes que determinam um combustível, principalmente por ser formada por uma cadeia de carbono somada a átomos de hidrogênio.
 
Segundo Nogueira e Lora (2003), a biomassa abrange toda a matéria vegetal gerada a partir da fotossíntese e seus derivados. Podem ser citados os resíduos florestais, agrícolas, animais e a matéria orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos e municipais. A energia química que se encontra na biomassa é gerada da transformação energética da radiação solar, que é liberada diretamente por combustão, ou convertida através de algum processo em outras fontes energéticas. Sua utilização final se aplica na produção de álcool, do carvão vegetal ou para um fim qualquer desejado.
Garlipp (1982), citado pela Companhia Energética de Minas Gerais e Universidade Federal de Viçosa (2003), também define por Biomassa toda matéria orgânica de origem vegetal ou animal que pode se converter a energia. 
Observa-se que toda biomassa é formada por matéria orgânica, ou seja, é composta por carbono e hidrogênio. Portanto, pode ser convertida em energia química ou térmica através de processos químicos ou a partir de reações térmicas oxidantes que aceleram a sua deterioração.
A crise do petróleo na década de 70, trouxe a tona uma realidade incontestável de que a energia que era considerada como fonte farta e barata, estava se extinguindo e as energias renováveis viriam a ser uma solução viável. O aproveitamento das fontes de energia renovável cria um novo modelo de desenvolvimento, sustentado no retorno da energia dispersa, que tem por base os recursos e a cultura do lugar. Por usar uma energia limpa, é também comprometido com a qualidade de vida das futuras gerações. (Mello, 2001).
Segundo Branco (1995), a acusação que pesa contra os combustíveis fósseis (não renováveis) não é a geração de gás carbono, pois os combustíveis renováveis como álcool ou a biomassa também são responsáveis pela emissão de gases poluentes. A diferença essencial está na sustentabilidade, enquanto a biomassa, o álcool e o biodiesel são fontes energéticas renováveis, os produtos oriundos de fontes energéticas fósseis, como os derivados de petróleo, são considerados não renováveis e por tanto esgotáveis.
Mello (2001), apresentado pela Companhia Energética de Minas Gerais e Universidade Federal de Viçosa (2003), aponta que o domínio do uso de combustíveis fósseis em relação aos recursos renováveis ocorre devido à escassez de insumos renováveis nos países de região com áreas temperadas, a grande concentração de recursos não renováveis e a facilidade de extração destes recursos. 
Os recursos energéticos não renováveis, segundo Dias (2000), são indispensáveis no apoio à adequação dos sistemas para utilização dos recursos renováveis, ou seja, uso de combustíveis fósseis continuaram, mas em menor escala, de acordo que garanta energia suficiente em potencial para o momento e gerações futuras. 
A iminente pobreza energética das nações denominadas ricas deve-se ao fato de elas não estarem localizadas nos trópicos, onde se concentram as fontes renováveis e limpas, oriundas da abundância em água e radiação solar, grande e eterna fonte primaria de energia do planeta. Isso obriga as nações do mundo temperado e frio a buscar fontes energéticas alhures, criando dependência insuperável, além de inexorável limitação temporal das reservas de petróleo e limitação de possibilidades de uso do carvão mineral, imposta pelos nocivos efeitos ambientais que provoca. (MELLO, 2001, p.9) 
As fontes de energia renováveis são praticamente inesgotáveis, entretanto a quantidade de energia gerada pode ser limitada, em muitos casos fontes de energias não renováveis são utilizadas simultaneamente para a obtenção de uma quantidade maior de energia.
Nogueira e Lora (2003), classificam os recursos energéticos da biomassa de varias formas. Os biocombustíveis, são selecionados de acordo com os fluxos de energia da biomassa que podem ser apresentados em três grupos principais, de acordo com a origem da matéria que os constitui. Desta forma, existem os biocombustíveis da madeira (dendrocombustíveis), os combustíveis de plantação não florestal (agrocombustíveis) e os resíduos urbanos. 
Vale resaltar que, os combustíveis renováveis, não são apenas os extraídos das sobras da indústria da madeira ou da lenha, mas há muitos outros resíduos que também são considerados energéticos. Alguns exemplos de agrocombustíveis, são as cascas de algodão utilizadas nas fornalhas para secagem do próprio algodão, a casca de café que é utilizada como combustível nos fornos de cal e, evidentemente, o bagaço de cana residual que é utilizado nas caldeiras das empresas sucroalcooleiras para geração de vapor e energia elétrica. 
Dendroenergia 
O termo dendroenergia, corresponde à biomassa energética lignocelulósica que geralmente está associada aos seus derivados de basesrenováveis. Ainda são considerados como temas dendroenergéticos, os aspectos técnicos, sócio-econômicos e ambientais relacionados com a produção florestal, o pré-processamento dos recursos florestais, as conversões em outras formas energéticas e sua aplicação. O dendrocombustível é o combustível proveniente da madeira e, seu principal derivado, é a lenha que pode ser plantada e colida de maneira sustentável a partir de florestas plantadas ou nativas, de forma que o manejo das áreas de cultivo respeitem o tempo de regeneração natural das florestas. Estes combustíveis, também são encontrados na forma de resíduos, em serrarias, marcenarias, indústrias moveleiras ou indústrias de papel; cujas atividades econômicas não têm como principal produto a utilização da madeira para fins energéticos. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
Os materiais lignocelulósicos são provenientes da madeira. “Ligno” vem do termo lignina e “celulósicos” do termo celulose. Todos os recursos dendroenregéticos, são provenientes de materiais formados de lignocelulose, ou seja, da madeira, porém nem toda madeira é considerada um recurso dendroenergético. Para que um combustível seja considerado dendroenergético, todos os fatores envolvidos na sua produção até a sua combustão, devem atender aos princípios da sustentabilidade.
Composição Química dos Recursos Dendroenergéticos
Para Nogueira e Lora (2003), a composição da biomassa em geral é composta de carbono e hidrogênio, variando muito pouco de um tipo de madeira para outro. A maioria das composições, contém um baixo conteúdo de cinzas, com exceção da casca de arroz e do bagaço que possuem índices acima dos 5%. O conteúdo de carbono nos recursos dendroenergéticos, é menor que no carvão mineral ou nos combustíveis derivados de petróleo. As principais características técnicas da biomassa quando utilizada como fonte de energia, são as composições químicas elementar, as composições químicas imediatas, a umidade e o poder calorífico. O poder calorífico, pode ser determinado tanto para o combustível quanto para a mistura ar-combustível. 
A composição química elementar, apresenta o conteúdo percentual em massa dos principais elementos que constituem a biomassa, quase sempre referenciados a base seca. Os principais elementos apresentados, são geralmente carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), oxigênio (O), nitrogênio (N) e cinzas (A). A composição química elementar constitui a base dos cálculos da combustão. Para determinação desta composição, devem ser utilizados os procedimentos apresentados na norma americana ASTM E870-82( aprovada em1992) Standard test methods for analysis of wood fuel. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
Segundo Corder (1973); Brito & Barrichelo (1979); Brito (1994); Quirino et al. (2005), citados por Santana (2009), a composição química elementar da madeira de eucalipto é de 50% de carbono, 44% de oxigênio, 6% de hidrogênio e 0,4% de nitrogênio. Também há enxofre porém, em nível muito baixo, podendo ser desprezível e, com isto, há uma redução quanto aos problemas de emissão de gases e problemas de poluição com compostos sulfurosos, quando comparado aos combustíveis fósseis. (Corder, 1973; Brito & Barrichelo, 1979; Brito, 1994; Quirino et al., 2005)
Já a composição química imediata, condiz com o percentual do carbono fixo (F), materiais voláteis (V), cinzas (A) e eventualmente umidade (W), baseados na massa do combustível. Para a avaliação desta composição, aplica-se a norma americana ASTM D 1102-84 (aprovada em 1995) Standard test method for ash in wood. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
A composição química, seja da biomassa ou de qualquer outro combustível, é quem determina o quanto um combustível é capaz de gerar de energia. Através da análise elementar, define-se o percentual de cada elemento químico que compõem o combustível. O percentual dos elementos químicos é utilizado para os cálculos do balanço de massa, do poder calorífico, da massa e do volume de ar além da massa e do volume de gases gerados. 
Umidade
Ainda Nogueira e Lora (2003), definem que a quantidade mássica de água na biomassa, pode ser mensurada através da diferença entre as massas de uma amostra pesada antes e depois do processo de secagem do material. A umidade pode ser apresentada em base seca ou úmida, variando de acordo com as condições de referência utilizadas. Nas equações 1 e 2, a variável Pu caracteriza a quantidade de massa de uma amostra de combustível nas condição de queima úmida e a variável Ps, corresponde a mesma análise anterior porém com condições de queima a base seca. A queima corresponde à secagem da biomassa em estufa a 150°C e, o produto, deve ser mantido até que apresente peso constante.
Abaixo são expressas as razões para cada situação citada:
Umidade base seca:
Hs = Pu - Ps , avaliada como (kg água / kg material seco) (1)
 Ps
Umidade base úmida:
Hu = Pu - Ps , avaliada como (kg água / kg material nas condições de trabalho) (2)
 Pu
Poder calorífico do combustível 
Segundo Bazzo (1995), combustíveis são todos os compostos na forma gasosa, líquida ou sólida capazes de reagir com o oxigênio e liberar energia térmica, sendo caracterizados pelas suas propriedades físico-químicas. 
Poder calorífico, é a quantidade de calor liberado durante uma combustão completa por uma unidade de massa ou volume de combustão, e geralmente, mensurado nas unidades (kJ/kg ou kcal/kg) para o calor desprendido por unidade de massa e (kJ/m3 ou kcal/m³) para o calor desprendido por unidade de volume. Quando o calor latente de condensação da umidade presente nos produtos de combustão é desconsiderado, obtém-se o poder calorífico inferior (PCI) e, quando esse calor latente é considerado, tem-se o poder calorífico superior (PCS). O PCI representa o calor efetivo possível de ser utilizado nos combustíveis, enquanto o PCS é em torno de 10 a 20% maior que o resultado de sua avaliação em laboratório. Para cálculos de rendimento em sistemas de combustão, pode-se adotar ambos os tipos de poder calorífico lembrando, que a eficiência referente ao PCI, é superior ao valor determinado segundo o PCS. Como o calor de condensação da umidade dos gases é tecnicamente irrecuperável, é preferível o uso do PCI. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
Para Martins (2011), o poder calorífico dos combustíveis sólidos é compreendido como sendo a quantidade de energia interna contida no combustível, podendo ser medido com um calorímetro. Entende-se por calorímetro, um recipiente em que a mistura ar-combustível reage a volume constante sendo que, quanto maior o poder calorífico, maior será a capacidade do combustível liberar energia. Para calcular o poder calorífico do combustível, é necessário determinar a entalpia dos reagentes e dos produtos da combustão. Todos os combustíveis que são compostos a base de hidrogênio, produzem água após a combustão, podem aparecer no estado liquido ou em vapor e são considerados no cálculo do poder calorífico. 
Borsato, Galão e Moreira (2009), definem por poder calorífico a quantidade de calor liberado por unidade de massa do material combustível, comumente expresso em kJ/KG ou kcal/kg. Os combustíveis que possuem hidrogênio, resultam em vapor d’água durante a combustão. O poder calorífico superior resultado destas reações, é o calor produzido pela combustão completa de certa quantidade do combustível e, com isso, toda a água produzida mais a massa de água presente no combustível anteriormente, são condensadas no estado líquido. Para esta situação considera-se a entalpia de vaporização da água. O poder calorífico inferior, é definido pelo valor obtido quando se considera que o vapor d’água não condensa e, todo o produto resultante da combustão do hidrogênio, permanece no estado de vapor. 
FORMATADO ATÉ AQUI
Portanto a principal forma de se mensurar a capacidade de geração de energia térmica de um combustível ou mistura ar-combustível em unidade de energia por massa ou volume de combustívelé através do calculo do poder calorífico. O poder calorífico pode ser definido pelo somatório das energias térmicas liberadas nas reações de oxidação formadas no produto final da combustão.
O poder calorífico inferior pode ser calculado, com um erro geralmente inferior a 5%, através da fórmula (Martins, 2011):
 (3)
Borsato, Galão e Moreira (2009), apontam que o poder calorífico inferior para sólidos, baseado nas reações de combustão dos componentes puros, pode ser calculado através da expressão abaixo:
 (4)
Onde:
A expressão acima é energia térmica liberada pela combustão do carbono, hidrogênio e enxofre. Deve considerar que o oxigênio, presente também na composição do combustível, esteja totalmente ligado ao hidrogênio, de tal forma que o hidrogênio livre para a combustão seja (H – O/8). A expressão (4) garante resultados aceitáveis e confiáveis, mas não são reais. Para que haja a determinação exata do poder calorífico dos combustíveis sólidos é necessário o auxilio de um calorímetro. (BORSATO, GALÃO e MOREIRA, 2009)
Conversões dendroenergéticas 
Conforme Nogueira, Lora(2003), a energia dos recursos dendroenergéticos apresenta-se sempre na forma de energia química, impondo reações para sua liberação. Além disso, há várias situações em que a biomassa no estado sólido deve se transformar em outra forma energética mais homogênea ou que apresente melhor adequação para um uso final desejado. Assim, por exemplo, a sua conversão num combustível gasoso ou líquido permite a geração de energia mecânica em motores de combustão interna. Os processos de conversão energética da biomassa podem ser classificados em três grupos: processos físicos, termoquímicos e biológicos.
As conversões termoquímicas são aquelas em que a biomassa sofre alterações em sua estrutura química, causada pela elevação acentuada de sua temperatura. Essas conversões térmicas são realizadas com a finalidade de transformar a biomassa em um biocombustível adequado ao consumo nos equipamentos existentes ou facilitar o manuseio, transporte e armazenamento.
FIGURA 1: Processos de conversão energética da biomassa
Fonte: NOGUEIRA E LORA, 2003
A figura 1, acima, demonstra um esquema destes processos indicando os reagentes e produtos principais, que podem ser combustíveis intermediários ou energia final para consumo. Os processos termoquímicos de dissociação se caracterizam por reações que ocorrem em temperaturas elevadas e incluem, por exemplo, o processo de gaseifacação da biomassa. 
Gaseificação da Biomassa
O processo de gaseificação da biomassa é composto de complexas reações em que de tal maneira algumas etapas não são totalmente compreendidas. Contudo, pode ser separadas em algumas etapas. A primeira etapa é a da pirólise ou da decomposição térmica (volatilização), que se desenvolve a temperaturas próximas de 600ºC, em seguida ocorre à oxidação de parte do carbono fixo do combustível, processo que constitui a fonte de energia térmica para a volatilização e gaseificação. A partir de então ocorre à gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já formados. A quarta reação é o Craqueamento do alcatrão que é o processo de destruição térmica das moléculas dos compostos que formam o alcatrão com a obtenção de CO, CO2, CH4 e outros gases como produtos. E por fim a oxidação parcial dos produtos da pirólise. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
A gaseificação da biomassa é um processo termoquímico composto por algumas etapas de reações, onde um material sólido é convertido em um gás combustível, a partir da oxidação parcial e da utilização de um agente de gaseificação para a combustão em altas temperaturas.
Estes processos de dissociação só ocorrem, segundo Martins (2011), numa combustão que se dá a temperatura elevada (>1500K) quando nem todo o combustível se converte em CO2 e H2O, pois a essas temperaturas dá-se uma reação inversa, de dissociação destes compostos em CO, H2 e CH4. Esta reação de dissociação existe porque o equilíbrio químico altera-se com a temperatura. Uma forma de calcular os valores das propriedades do equilíbrio químico em reações de combustão é usar as constantes de dissociação. Para cada reação há uma constante que permite calcular a taxa de reação. Da mesma forma que com a elevação da temperatura se dá a dissociação, com o seu abaixamento dever-se-ia dar uma nova reação (oxidação) de formação do CO2 e H2O.
Os gases proveniente da gaseificação da biomassa sólida possuem em média de CO entre 9 e 21%, de H2 entre 6 e 19% e de CH4 entre 3 e 7%, todos elementos combustíveis. Embora o gás produzido possua um poder calorífico relativamente baixo, por volta de 5 MJ/Nm³, e também existam perdas energéticas na gaseificação, em diversas situações a gaseificação a apresenta vantagens em relação a outros processos de conversão termoquímicos de biomassa. Uma destas vantagens é a possibilidade da combustão dos gases em fornalhas, caldeiras e motores de combustão interna, sem a necessidade de grandes alterações nos equipamentos. Além disso, a eficiência térmica do processo reduz em níveis pouco significativos. A relevância de se converter um sistema convencional a base de combustíveis não renováveis por sistema a biomassa garantem as empresas redução dos custos de produção. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
Segundo Borsato, Galão, Moreira (2009), a gaseificação da biomassa ocorre quando se em ambiente rico em oxigênio e em temperatura elevada, de tal maneira que haja oxidação total das moléculas orgânicas, produzindo-se misturas gasosas ricas em CO, H2 e CH4 que podem ser usadas como combustíveis ou como insumos para a síntese de combustíveis líquidos e produtos químicos variados. 
O gás gerado pela gaseificação da biomassa tem poder calorífico menor que outros combustíveis como, por exemplo, o gás natural e o diesel. O gás da biomassa só se torna viável pelo fato de que sua unidade de energia gerada tem o custo menor que todos os outros combustíveis fósseis.
Nogueira e Lora (2003) destacam as principais reações químicas que ocorrem em cada uma das etapas apresentadas no processo de gaseificação. As reações estão demonstradas abaixo:
A primeira delas, a Pirólise, está representada na reação 5: 
	Biomassa + calor → coque + gases + alcatrão + condensáveis (5)
Na etapa de oxidação do carbono, os átomos de carbono em contato o oxigênio a temperaturas elevadas reagem e forma moléculas de monóxido de carbono e dióxido de carbono, conforme as reações 6 e 7.
	C + ½ O2 ↔ CO (6)
	C + O2 ↔ CO2 (7)
A fase da gaseificação é representada pelas reações 8, 9, 10, 11 e 12 e estão classificadas em relação à homogeneidade das reações.
Reações heterogêneas
	C + CO2 ↔ 2CO (Reação de Bouduard) (8)
	C + H2O ↔ CO + H2 (Reação de gás de água ou reação carbono-vapor) (9)
	C + 2H2 ↔ CH4 (10)
Reações homogêneas
	CO + H2O ↔ CO2 + H2 (Reação de "deslocamento" da água) (11)
	CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (12)
O Craqueamento do alcatrão está representado pela equação 13, logo abaixo, e é a fase onde o vapor e materiais líquidos como o alcatrão em alta temperatura reagem e mudando para o estado gasoso. 
	Alcatrão + vapor + calor ↔ CO + CO2 + CH4 (13)
Na última fase, ocorre à oxidação parcial dos produtos da pirólise, parte do produtoda pirólise reage também com o oxigênio que formam dióxido de carbono e hidrogênio na forma gasosa. A reação está demonstrada na equação 14.
	(CO + H2 + CH4) + O2 ↔ CO2 + H2 (14)
A partir destas reações químicas, Nogueira e Lora (2003), concluíram que se houver a adição de 30% de vapor de água no ar de gaseificação, a massa de hidrogênio e de monóxido de carbono aumenta no gás obtido, como mostram as equações 9, 10 e 11. Além disso, o aumento da pressão favorece a formação de metano, segundo a equação 10, por causa da redução do número de moles ao se passar dos reagentes aos produtos.
Nogueira e Lora (2003) apontam que ao gaseificar um combustível sólido utilizando oxigênio puro ou ar enriquecido com este gás, reduz as perdas de energia, aumenta o poder calorífico volumétrico devido a isenção do nitrogênio que constitui 79% em volume do ar atmosférico. Portanto o gás gerado com o oxigênio puro apresenta alto poder calorífico, porém o que dificulta o seu uso são os custos de produção do oxigênio e se torna um entrave econômico, dificultando a difusão do seu uso.
Quando se utiliza outros tipos de agente de gaseificação, que não o ar, o poder calorífico geralmente e maior, mas o custo se torna inviável. Quimicamente seria perfeita a utilização de oxigênio puro, pois o ar atmosférico é composto por apenas 21% de oxigênio. O uso do oxigênio puro reduz a concentração de nitrogênio no gás final produzido, o que aumenta a quantidade de energia por volume de gás gerado. O uso do vapor d’água aumenta a concentração de hidrogênio e oxigênio no volume de gás gaseificado, isso porque o vapor d’água é representado pela molécula H2O. A inserção de vapor d’água também reduz a concentração de nitrogênio no gás gerado e consequentemente aumenta o poder calorífico do gás por unidade de volume. 
Tipos de Gaseificadores
Existe uma grande variedade tecnológica de gaseificadores de biomassa que permitem converter a biomassa sólida em um gás combustível. Podem ser caracterizados pelo poder calorífico do gás produzido, pelo tipo de agente de gaseificação, pela pressão de trabalho e pela direção do movimento relativo da biomassa e do agente gaseificação. O poder calorífico do gás produzido é considerado um gás de baixo poder calorífico aquele apresenta até 5 MJ/Nm³. Já os que apresentam de 5 a 10 MJ/Nm³ são classificados como um gás de médio poder calorífico. Os gases de alto poder calorífico são caracterizados por apresentarem valores de 10 a 40 MJ/Nm³. Os tipos de agente de gaseificação são o ar, o vapor d’água e o oxigênio. Todos obviamente têm como principal elemento químico o oxigênio. Na tabela 1 pode se notar as variações que ocorrem com o poder calorífico em relação ao agente de gaseificação. Os gaseificadores são classificados em relação às pressões de trabalho como de baixa pressão quando atua a pressão atmosférica e pressurizado em pressões acima da atmosférica e até 3MPa. A influência das variações nas pressões dos gaseificadores pode ser notada na tabela 2. (NOGUEIRA; LORA, 2003) 
TABELA 1: Dependência entre o tipo de agente de gaseificação utilizado, pressão do gaseificador, poder calorífico e sua possível aplicação
Fonte: NOGUEIRA E LORA, 2003
A principal característica que diferenciam os gaseificadores é a direção do movimento relativo da biomassa e do agente de gaseificação. Os 04 modelos estão demonstrados na figura 2 e são eles: contracorrente, concorrente, fluxo cruzado e o de leito fluidizado. O gaseificador de fluxo contracorrente tem o leito em movimento a contrafluxo com o gás, ou seja, a direção do fluxo de saída dos gases é oposta a direção de entrada da biomassa. O gaseificador concorrente tem leito em movimento a fluxo direto com o gás, os saem na mesma direção do fluxo de entrada de biomassa. O gaseificador de fluxo cruzado tem leito em movimento perpendicular ao fluxo de gás. O gaseificador de leito fluidizado tem alimentação mecânica e a saída no mesmo sentido do fluxo de entrada do agente oxidante. (NOGUEIRA e LORA, 2003) 
TABELA 2: Composição média e poder calorífico do gás pobre de madeira obtido em diferentes tipos de gaseificadores e com agentes de gaseificação
Fonte: NOGUEIRA E LORA, 2003
Segundo Nogueira e Lora (2003), a gaseificação onde o ar atua como agente oxidante é a mais comum e permite produzir gás com custo menor. Contudo, nesta alternativa o gás apresenta um baixo poder calorífico. Quando o gás de gaseificação constitui a matéria-prima para a produção de líquidos derivados de biomassa, devem ser empregados vapor ou oxigênio como agentes de gaseificação. Outro fator que afeta o poder calorífico do gás é a umidade da biomassa, que se recomenda seja menos que 20%.
FIGURA 2: Tipos de gaseficadores para biomassa
Fonte: NOGUEIRA E LORA, 2003
Normalmente, os gaseificadores de leito em movimento (contracorrente e concorrente) são unidades mais simples e baratas do que os de leito fluidizado. Além disso, os gaseificadores de leito a contracorrente apresentam elevada eficiência térmica, apesar do conteúdo relativamente alto de alcatrão no gás, em especial quando a biomassa gaseificada é úmida. Já nos gaseificadores de leito concorrente, o conteúdo de alcatrão é baixo, consequência do craqueamento do alcatrão presente no gás na zona de oxidação. Isto faz com que os gaseificadores de leito concorrente sejam os mais utilizados para biomassa "in natura", como lenha. Como principais desvantagens dos gaseificadores de leito em movimento destacam-se a necessidade de uniformidade granulométrica da biomassa e a limitação na capacidade. Nestes equipamentos, as dimensões das partículas de combustível devem ser relativamente homogêneas e inferiores a 100 mm, a fim de garantir o movimento descendente da biomassa no interior do reator, ao mesmo tempo que permite a passagem do ar e dos gases. (NOGUEIRA E LORA, 2003, p.94).
No gaseificador de fluxo concorrente o ar e o combustível se deslocam na mesma direção. Foi projetado com o objetivo de eliminar do gás, os alcatrões e os óleos. O ar é introduzido através de um conjunto de bocais e os produtos de combustão são reduzidos a CO, H2 e CH4 à medida que atravessam o leito de carvão a alta temperatura, sendo os óleos e alcatrões craqueados a gases simples ou a carbono.
Nestes gaseificadores a zona de oxidação vem logo após a zona de pirólise e a zona de redução antecede a zona de remoção de cinzas. Essa disposição deixa o gaseificador concorrente sensível à umidade da matéria-prima, o que influencia o rendimento e o poder calorífico do gás.
A capacidade de gaseificação está limitada às dificuldades de dimensões nos gaseificadores, especialmente nos do tipo concorrente. O diâmetro da garganta na região de oxidação está limitado pela necessidade de atingir, em toda a seção transversal, temperaturas homogêneas da ordem de 1.400ºC, para que haja a garantia de uma alta eficiência no craqueamento do alcatrão. O gaseificador de fluxo contracorrente produz um gás de qualidade inferior, um pouco mais sujo, em relação ao modelo concorrente, porém sua dimensões podem ser maiores, já que não possuem a restrição em relação ao diâmetro da garganta. Por estas razões os gaseificadores a contracorrente são mais utilizados para o fornecimento de energia térmica, seja para aquecimento doméstico ou para aplicações industriais. Os gaseificadores de leito fluidizado tem capacidade para gaseificar biomassas de granulometria fina e baixa densidade que é o caso de várias biomassas volumosas como o bagaço de cana, além disso não tem restrições quanto ao seu dimensionamento. Os sistemas pressurizados permitem dispor de instalações mais compactas, embora o sistema de alimentação da biomassa seja mais complicado. (NOGUEIRA; LORA, 2003)
Balanço de Massa dos Gaseificadores
O balanço de massa tem a função de igualar as concentrações químicas dos reagentes com a concentração dos produtos. Toda a massa que entra no sistema deveser igual à de saída mesmo que com estruturas químicas ou estados químicos diferentes. 
Segundo Nogueira, Lora (2003), o balanço de energia de um gaseificador é feito através da contabilização da energia que entra na forma de biomassa sólida e da massa de regente oxidante, que deve ser igual à massa de saída na forma de gases e cinzas. O balanço de massa é expresso pela seguinte equação:
mb + ma = mg + mcen (15)
Ainda Nogueira e Lora (2003) dizem que para está situação, a entalpia é a medida da energia térmica por unidade de massa de ar, gás e cinzas:
mg • PCIb + ma • ha = mg • PCIg + mg • hg + mcen • hcen + Qma (16)
A figura 3, abaixo, mostra os elementos necessários para estabelecer o balanço de massa e energia em um gaseificador e para a determinação da sua eficiência. 
FIGURA 3: Fluxo de massa e energia em um gaseificador concorrente
Fonte: NOGUEIRA E LORA, 2003
Onde:
mb - fluxo de biomassa que entra no gaseificador, kg/s;
PCIb - poder calorífico da biomassa, kJ/kg;
mg - fluxo de gás produzido na gaseificação, kg/s;
PCIg - poder calorífico do gás, MJ/Nm³;
PCIgi - poder calorífico do gás i, MJ/Nm³;
tg - temperatura do gás, ºC;
ma - fluxo de ar introduzido no gaseificador, kg/s;
mcen - fluxo de cinzas, kg/s;
Qma - calor perdido no meio ambiente, kW;
Ci - concentração volumétrica ou molar do gás i;
O poder calorífico do gás biomassa pode ser calculado a partir de sua composição volumétrica, pela seguinte equação (NOGUEIRA e LORA, 2003):
 (17)
Onde:
Segundo Bazzo (1995) na combustão de combustíveis gasosos, a energia é desprendida pelas reações químicas com o hidrogênio, monóxido de carbono, metano e outros hidrocarbonetos. Conforme os exemplos de reações abaixo:
 (18)
 (19)
Observa-se que em cada reação que ocorre na combustão há o desprendimento de energia especifico por cada unidade de massa do produto. 
Para a determinação e controle do processo de combustão é de extrema importância conhecer bem a composição química do combustível que será utilizado. Os combustíveis sólidos têm sua composição química definida em termos de carbono, hidrogênio, enxofre, nitrogênio, oxigênio, nitrogênio, umidade e cinzas. Carbono, hidrogênio e enxofre são os elementos que ao reagir com oxigênio liberam energia em forma de calor. Em condições ideais, a combustão total desses elementos químicos deve envolver uma quantidade mínima de oxigênio, que deve ser calculada a partir das reações químicas de combustão. A massa estequiométrica de oxigênio para queimar cada kg de combustível será (BAZZO, 1995):
 (20)
Considerando que a massa de oxigênio equivale a 23,15% da massa total do ar, então (BAZZO, 1995):
Onde:
Agora Bazzo (1995) associa a massa ao volume, como 21% do volume do ar é composto de oxigênio, então se relacionar o volume molecular do oxigênio (22,4Nm³/kmol) com a massa molecular de cada elemento combustível envolvido nas reações químicas, o volume estequiométrico de ar pode ser obtido por: 
 
Consequentemente, o mesmo processo pode ser realizado para o cálculo de massa e volume dos gases produzidos (BAZZO,1995):
 (23)
 (24)
Então,
A massa e o volume de gás definidos pelas equações 25 e 26 são gases gerados por queima completa, ou seja, são valores estequiométricos. Para que essas expressões sejam utilizadas nos cálculos dos gases de biomassa as expressões devem sofre alterações, pois os gases finais formados são diferentes já que ocorre a dissociação das moléculas.
Fator de Ar
O fator de ar relaciona a quantidade de ar necessária para a combustão completa por cada unidade de combustível. 
Segundo Borsato, Galão, Moreira (2009) o fator de ar em processos de combustão podem ser realizado através do consumo teórico de oxigênio no processo e a relação percentual de oxigênio no ar atmosférico. Considerando a existência de 23,2%, em massa, de oxigênio no ar atmosférico, temos a seguinte relação: 100/23,2 = 4,31/1 e, a partir dela, elaborou-se a Tabela 3, fundamentada no que segue:
		
Portanto, para o hidrogênio, 
Com as respectivas reações de combustão e o raciocínio análogo, teremos a quantidade de ar por kg de combustível para o carbono e para o enxofre.
TABELA 3: relação ar/combustível para alguns elementos encontrados nos principais combustíveis
	Combustível
	Transformação
	Massa molar
	Kg de ar/kg combust.
	Hidrogênio (H2)
	H2O
	2,016
	34,21
	Carbono
	CO2
	12,011
	11,48
	Enxofre
	SO2
	32,066
	4,30
Fonte: BORSATO, GALÃO E MOREIRA (2009)
A partir dos dados da Tabela 3, Borsato, Galão, Moreira (2009) obtiveram a expressão a seguir, que fornece uma estimativa do consumo de ar no processo de combustão completa de alguns combustíveis.
Nos processos de combustão total, a massa de ar utilizada deve ser maior que a calculada teoricamente e também deve ser considerada a conversão total do carbono em gás carbônico. Porém, em alguns casos, como nos gaseificadores de biomassa, o ar alimentado é inferior ao calculado teoricamente. Essa prática justifica-se sempre que a finalidade da combustão seja produzir gases parcialmente oxidados, como o monóxido de carbono obtido num gerador de gases. A combustão incompleta do carvão mineral ou vegetal produz, além de outros gases, o monóxido de carbono. (BORSATO, GALÃO e MOREIRA, 2009)
Nogueira, Lora (2003) afirmam que a relação ar/combustível é um parâmetro importante de operação para os gaseificadores e pode ser expresso como fator de ar. O fator de ar é a relação entre a quantidade de ar fornecido ao gaseificador por kg de combustível e seu valor estequiométrico. A eficiência a frio, a temperatura do leito e o poder calorífico do gás dependem do valor do fator de ar. O valor ideal do fator ar se encontra entre 0,20 e 0,35, então, em um processo de gaseificação, para cada kg de combustível gaseificado será necessário de 20 a 35% da quantidade de ar de uma análise estequiométrica da combustão total do combustível.
Diferentemente da combustão completa que considera a oxidação total dos reagentes, a gaseificação pode ser classificada como uma reação de oxidação incompleta ou de combustão parcial. É importante lembrar que o que ocorre na gaseificação não é exatamente a combustão parcial, mas a dissociação química molecular que provem das reações dos elementos combustíveis com os agentes oxidantes a altas temperaturas. 
Vasos de pressão de paredes finas
Segundo Hibbeler (2010), os vasos cilíndricos ou esféricos são muito usados na indústria como caldeiras, tanques ou reservatórios. Quando submetidos à pressão, o material utilizado na fabricação do vaso de pressão é solicitado por cargas em todas as direções. Normalmente, um vaso é considerado como paredes finas quando à relação do raio interno e a espessura da parede tem valor igual ou superior a 10 (r/t ≥ 10). Especificamente, quando a razão entre o raio e a espessura do material é igual a dez (r/t = 10), os resultados de uma análise de parede fina preverão uma tensão aproximadamente 4% menor que a tensão máxima real no vaso. Quando determina-se que a parede do vaso é “fina”, considera-se que a variação da distribuição de tensão pela sua espessura não será significativa, portanto consideraremos que ela é uniforme ou constante. 
Devido à uniformidade da carga interna, um elemento do vaso que esteja afastado o suficiente das extremidades é submetido a tensões normais σ1 na direção do arco e σ2 no sentido axial. (HIBBELER,2010,p.300)
As tensões normais internas atuantes são geradas por gases ou fluidos líquidos e geralmente em cilindros confinados. 
As tensões normais podem ser calculadas a partirdas equações (HIBBELER,2010):
 (30)
 (31)
 
 
 
 
Comparando as equações acima nota-se que a tensão normal no sentido axial é duas vezes menor que a tensão normal circunferencial. Consequentemente, a junta soldada longitudinal deve ser dimensionadas para suportar o dobro das tensões das juntas circunferenciais. (HIBBELER,2010)
Dimensionamento de Solda
A solda é um tipo de união por coalesência do material, obtida por fusão das partes adjacentes. As soldas ocorrem através do fornecimento de energia ao material até que ocorra a fusão, as fontes de energia são de origem elétrica, química, óptica ou mecânica. Normalmente a fusão do aço ocorre através da absorção do calor produzido por um arco voltaico. Nos tipos mais comuns, o arco voltaico se dá entre um eletrodo metálico e o aço a ser soldado, havendo deposição do material do eletrodo. (PFEIL, 2012).
Segundo Shigley (2010) sempre que partes tiverem de serem montadas ou fabricadas, existe usualmente um bom motivo para uso da união com solda. Quando as seções a serem unidas são finas, um desses métodos pode levar a uma economia significativa. A eliminação de fixadores individuais, com seus orifícios e custos de montagem, é um fator importante. Dessa forma alguns desses métodos permitem também rápida montagem em máquina, promovendo a atratividade deles. 
Para carregamentos de tração ou de compressão, isolados, a tensão norma média pode ser descrita sendo a força que atua sobre a peça, dividido pela área da garganta da solda. Portanto (SHIGLEY, 2010):
: força atuante de tração ou compressão;
: garganta da solda;
: o comprimento de solda.
REFERÊNCIAS 
BORSATO, Dionísio; GALÃO, Olívio Fernandes; MOREIRA, Ivanira. Combustíveis fósseis - carvão e petróleo. Londrina: EDUEL, 2009.
VAN WYLEN, Gordon John; SONNTAG, Richard; BORGNAKKE, Claus. tradução da 4ª ed. Americana: Euryale de Jesus Zerbini, Ricardo Santilli Ekman Simões. Fundamentos da termodinâmica clássica. São Paulo: Blucher, 1995.
NOGUEIRA, Luiz Augusto Horta; LORA, Electo Eduardo Silva. Dendroenergia - fundamentos e aplicação. 2ªed. Rio de janeiro: Interciência, 2003.
MARTINS, Jorge. Motores de combustão interna. 3ª ed. Porto: Publindústria, 2011
CEMIG, Companhia Energética de Minas Gerais Gaseificadores de biomassa, Belo Horizonte, MG, 1986. 111p.
Mello, Marcello Guimarães – Biomassa, Energia dos trópicos em Minas Gerais, Belo Horizonte: LabMídia/FAFICH, 2001. 
BRANCO, Samuel Murgel - Poluição do ar, São Paulo: Moderna, 1995
DIAS, Genebaldo Freire - Educação Ambiental: princípios e práticas, 6a.ed., São Paulo: Guaia, 2000
PFEIL, Walter; PFEIL, Michèle – Estruturas de aço: dimensionamento prático, 8ª ed. – [Reimpr.] – Rio de Janeiro: LTC, 2012
HIBBELER, Russell Charles – Resistência dos materiais – tradução Arlete Simille Marques; revisão técnica Sebastião Simões da Cunha Jr. – 7ª ed. – São Paulo: Perason Prentice Hall, 2010
COMPANHIA ENERGETICA DE MINAS GERAIS, Universidade Federal de Viçosa, Sociedade de Investigações Florestais - Análise da geração de energia a partir da Biomassa, Belo Horizonte: Cemig, 2003
BAZZO, Edson – Geração de Vapor – 2ª ed. – Florianópolis: Editora da UFSC, 1995
SANTANA, Wilma Michele Santos - Crescimento, produção e propriedades da madeira de um clone de Eucalyptus grandis e E. urophylla com enfoque energético – Lavras : UFLA, 2009. (Dissertação de mestrado)